超強(qiáng)超快激光的特點與發(fā)展

1、超強(qiáng)超快激光的特點與發(fā)展激光彳為20世紀(jì)人類最重要的科技發(fā)明之一，經(jīng)過40年的發(fā)展，直接推動了一批新興學(xué)科與高新技術(shù)的發(fā)展，如非線性光學(xué)、激光光譜學(xué)、強(qiáng)場物理、光通信、光計算、光信息存儲、激光化學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、 激光生物學(xué)、激光核聚變、激光分離同位素、激光全息術(shù)、激光加工等等。同時，激光技術(shù)也已經(jīng)走進(jìn)了 人們的日常生活，如隨處可見的CD唱機(jī)、VCDS碟機(jī)、超市收銀機(jī)的條形碼掃描儀、激光打印機(jī)等，無不采用先進(jìn)的激光技術(shù)。激光的發(fā)展開拓了激光技術(shù)的應(yīng)用，激光技術(shù)的應(yīng)用又推動了激光科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一 步發(fā)展。激光科技的最新前沿之一是超強(qiáng)超快激光。超強(qiáng)即超高的功率和功率密度（指單位面積上的功率）， 目前一個

2、激光系統(tǒng)甚至可產(chǎn)生高達(dá)1015瓦的峰值功率，而全世界電網(wǎng)的平均功率只不過1012瓦數(shù)量級；超快即極短的時間尺度，目前激光脈沖最短不過幾個飛秒（1015秒），光在1飛秒內(nèi)僅僅傳播0.3微米。近年來新型小型化超強(qiáng)超快激光技術(shù)的迅猛發(fā)展，為人類提供了全新的實驗手段與極端的物理條件。 這種在實驗室中創(chuàng)造的極端物理條件，目前還只有在核爆中心、恒星內(nèi)部、或是黑洞邊緣才能找到。在當(dāng) 今超強(qiáng)超快激光技術(shù)已經(jīng)提供并將由于其進(jìn)一步發(fā)展而能提供的越來越強(qiáng)并越來越快的光場條件下，激光 與各種形態(tài)物質(zhì)之間的相互作用，將進(jìn)入到前所未有的高度非線性與相對論性起主導(dǎo)作用的強(qiáng)場超快范圍，并將進(jìn)一步把光與物質(zhì)的相互作用研究深入到

3、更深的物質(zhì)層次，甚至光與真空的相互作用，由此開創(chuàng)了超 強(qiáng)超快激光這一全新的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)前沿領(lǐng)域。超強(qiáng)超快激光物理與技術(shù)輸出功率大于1太瓦，脈寬小于1皮秒，可聚焦激光功率密度大于 1017瓦/厘米2的小型化超強(qiáng)超快 激光的發(fā)展研究，是超強(qiáng)超快激光研究廣泛深入開展的基礎(chǔ)和推動力。近十幾年來，由于喟啾脈沖放大 （chirped pulse amplification,簡稱CPA技術(shù)的提出和應(yīng)用，寬帶激光晶體材料（如摻鈦藍(lán)寶石）的出現(xiàn)，以及克爾透鏡鎖模技術(shù)的發(fā)明，使超強(qiáng)超快激光技術(shù)得到迅猛 發(fā)展。小型化飛秒太瓦（1012瓦）甚至更高數(shù)量級的超強(qiáng)超快激光系統(tǒng)已在各國實驗室內(nèi)建成并發(fā)揮重要 作用。最近，更

4、短脈沖和更高功率的激光輸出，如直接由激光振蕩器產(chǎn)生的短于5飛秒的激光脈沖，小型化飛秒100太瓦級超強(qiáng)超快激光系統(tǒng)，以及 CPA技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)大型較玻璃激光裝置上獲得1拍瓦（1015瓦）級激光輸出已有報道，激光功率密度達(dá)到10191020瓦/厘米2的超強(qiáng)超快激光與物質(zhì)相互作用研究也已開始進(jìn)行。傳統(tǒng)的激光放大采用直接的行波放大，而對超短激光脈沖來說，隨著能量的提高，其峰值功率將很快增加，并出現(xiàn)各種非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，從而限制了能量的進(jìn)一步放大。CPA技術(shù)的原理是，在維持光譜寬度不變的情況下通過色散元件將脈沖展寬好幾個數(shù)量級，形成所謂 的喟啾脈沖。這樣，在放大過程中，即使激光脈沖的能量增加很快

5、，其峰值功率也可以維持在較低水平， 從而避免出現(xiàn)非線性效應(yīng)及增益飽和效應(yīng)，保證激光脈沖能量的穩(wěn)定增長。當(dāng)能量達(dá)到飽和放大可獲得的 能量之后，借助與脈沖展寬時色散相反的元件將脈沖壓縮到接近原來的寬度，即可使峰值功率大大提高。為了突破CPA技術(shù)的一些局限性，目前國際上正在積極探索發(fā)展新一代超強(qiáng)超快激光的新原理與新方 法，如喟啾脈沖光學(xué)參量放大（OPCPA原理，目標(biāo)是創(chuàng)造更強(qiáng)更快的強(qiáng)場超快極端物理條件，特別是獲得 大于（等于）1021瓦/厘米2的可聚焦激光光強(qiáng)。OPCP應(yīng)分發(fā)揮了喟啾脈沖放大與光學(xué)參量放大各自的優(yōu)點，是國際上近年來提出的發(fā)展超強(qiáng)超快激光的全新技術(shù)途徑。OPCPAM理目前還處于中等功率

6、層次上的預(yù)研階段，但卻蘊(yùn)涵著強(qiáng)大的生命力。此外，超強(qiáng)超快激光 光束質(zhì)量的優(yōu)化、時空輪廓的整形與控制，周期脈寬小于10飛秒的超短激光脈沖的產(chǎn)生、有效放大與性能 優(yōu)化，也是今后持續(xù)創(chuàng)新發(fā)展的主要方向。推動基礎(chǔ)學(xué)科和高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展超強(qiáng)超快激光不僅具有重大的前沿學(xué)科意義，將創(chuàng)造出全新的實驗室尺度，即所謂臺式的綜合性極端條件的科學(xué)技術(shù)，從而直接推動激光科學(xué)與現(xiàn)代光學(xué)、原子分子物理、等離子體物理、高能物理與核物理、 凝聚態(tài)物理、天體物理、理論物理以及非線性科學(xué)等一大批基礎(chǔ)學(xué)科的發(fā)展，而且在當(dāng)代一些重要高技術(shù) 領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展中，如突破飛秒壁壘的亞飛秒乃至阿秒（10-18秒）科學(xué)新原理、激光核聚變快點火新概

7、念、激光引發(fā)的臺式化聚變中子源新方案、小型化超高梯度粒子加速器新機(jī)制、臺式超短波長超快相干輻 射新途徑等方面，也有著不可替代的推動作用。目前，在遠(yuǎn)比傳統(tǒng)裝置小型化的臺式激光系統(tǒng)上已經(jīng)產(chǎn)生了高重復(fù)頻率的超短脈沖（通常是10-13秒甚至更短）太瓦甚至更高數(shù)量級的激光輸出。激光經(jīng)聚焦達(dá)到的光強(qiáng)在過去的十年里已提高了五六個數(shù) 量級，達(dá)到了 10191020瓦/厘米2。不久，將會達(dá)到創(chuàng)記錄的 1021瓦/厘米2,從而創(chuàng)造出實驗室尺度的 極端物理條件。1021瓦/厘米2的光強(qiáng)，產(chǎn)生的局域電場將高達(dá) 1012伏/厘米，相當(dāng)于氫原子第一玻爾軌道 處庫侖場強(qiáng)的170倍；相應(yīng)的磁場將達(dá)到105特的超強(qiáng)范圍；相應(yīng)的

8、能量密度已在 3X 1010焦/厘米3以上， 與溫度為10千電子伏的黑體的能量密度相當(dāng)；同時，將產(chǎn)生巨大的光壓，接近1017帕。在如此高的激光場中，電子的振蕩動能將高于 10兆電子伏（對于波長為1.06微米激光），大大超過電子自身靜止質(zhì)量（0.5 兆電子伏），而電子的加速度也將達(dá)到 1022米/秒2,即1021g（重力加速度）的數(shù)量級，高度非線性與相對 論效應(yīng)已成為主導(dǎo)。本領(lǐng)域的早期研究已經(jīng)表明，強(qiáng)場激光與原子、分子的相互作用導(dǎo)致隧道電離、勢壘抑制電離、高階 奇次諧波、穩(wěn)定化及分子的相位控制與庫侖爆炸等相關(guān)新現(xiàn)象。應(yīng)用于非線性問題的常規(guī)微擾方法已被非 微擾理論所取代。目前，超強(qiáng)超快激光與原子的

9、相互作用已進(jìn)入到相對論效應(yīng)起主導(dǎo)作用的新階段，以至 必須采用狄拉克方程才能正確處理相互作用的動力學(xué)行為。另一方面，現(xiàn)今獲得的激光脈寬已小于 10飛秒，最短達(dá)4飛秒，僅包含了 1.5個光周期（對波長為800納米的激光）。嚴(yán)格說，此時的光脈沖已不成為“光 波”，失去了波動現(xiàn)象所特有的周期性特征。傳統(tǒng)的適用于較長脈寬光與物質(zhì)相互作用的理論已不再適用，從而開創(chuàng)出極端非線性相互作用的新理論。周期乃至亞周期量級脈沖的超強(qiáng)超快激光與各種形態(tài)物質(zhì)的相 互作用也將會導(dǎo)致一系列全新的物理現(xiàn)象與規(guī)律。尋求這些新現(xiàn)象、新規(guī)律，建立相關(guān)的新概念、新理論 成為迫在眉睫的研究任務(wù)，是國際上超強(qiáng)超快激光科學(xué)研究領(lǐng)域爭奪的重點

10、。超強(qiáng)超快激光與團(tuán)簇、高溫高密度等離子體、自由電子等特殊形態(tài)物質(zhì)的相互作用也已成為新的研究 方向，它不僅大大拓寬本學(xué)科領(lǐng)域的縱深發(fā)展，也將為相關(guān)重要高技術(shù)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展提供新方案與新途 徑。最近，實驗研究已觀察到多光子激發(fā)產(chǎn)生的帶有大量內(nèi)殼層空穴的電子組態(tài)反轉(zhuǎn)的“空心”原子，這將為實現(xiàn)超短波長相干輻射開辟全新途徑；超強(qiáng)超快激光與大尺寸原子團(tuán)簇的相互作用首次成功引發(fā)了臺 式聚變，從而為“臺式化”聚變新概念指明了前景。止匕外，超強(qiáng)超快激光與團(tuán)簇的相互作用研究，有可能 作為一種橋梁，幫助人們更加完整地認(rèn)識光與物質(zhì)的相互作用。當(dāng)光強(qiáng)大于（等于）1018瓦/厘米2時，激光與電子的相互作用進(jìn)入超相對論性強(qiáng)

11、場范圍。實驗上已首次觀察到：自由電子在真空中被加速到兆電子伏數(shù)量級的相對論能量；非線性湯姆孫散射及其所產(chǎn)生的 約300飛秒、0.05納米的超快硬X射線脈沖；多光子非線性康普頓散射。尤其引人注目的是首次觀測到非 彈性光子一光子散射產(chǎn)生正負(fù)電子對的強(qiáng)場量子電動力學(xué)現(xiàn)象?；诜蔷€性湯姆孫散射與康普頓散射的X光、丫光源的產(chǎn)生與應(yīng)用，以及真空中亞周期脈寬超強(qiáng)超快激光場對電子的加速等，也是超強(qiáng)超快激光與自由電子相互作用研究中的熱點課題。此外，在超強(qiáng)超快 激光與稀薄等離子體相互作用中產(chǎn)生的尾波場實驗中，也觀察到比傳統(tǒng)的高能粒子加速器的極限加速電場 高出三個數(shù)量級以上的超高梯度加速場，從而為實現(xiàn)小型化的高能粒

12、子加速器提出了新方案。近年來，超強(qiáng)超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，特別是相對論效應(yīng)引起的高度非線性新現(xiàn)象、新規(guī)律的研究，也已引起國際學(xué)術(shù)界的高度重視。雖然目前已觀測到超強(qiáng)超快激光產(chǎn)生巨大光壓，推 動臨界密度面向前移動，從而形成等離子體通道等新現(xiàn)象，但涉及到10181020瓦/厘米2數(shù)量級的超強(qiáng)超快激光與高溫高密度等離子體的相互作用，如“等離子體中鑿孔”效應(yīng)、超熱電子的產(chǎn)生、能譜控制與 輸運(yùn)等基礎(chǔ)性物理問題還有待于深入研究。顯然，超強(qiáng)超快激光與高溫高密度等離子體相互作用的研究不 僅是本領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容之一，而且還有可能為激光核聚變等相關(guān)高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展提供基礎(chǔ)。超強(qiáng)超快激光場激勵的高次

13、諧波現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)與不斷深入的研究，不僅為獲得真空紫外區(qū)（VUV）與極端紫外區(qū)（XUV）波段全相干光源提供了一種有效途徑，也為亞飛秒甚至阿秒級極端超快短波長相干輻射的產(chǎn) 生提出了全新的思想與方法，從而有可能突破飛秒的壁壘，為人類創(chuàng)建極端超快的阿秒光子技術(shù)，并開創(chuàng) 出阿秒光譜學(xué)、阿秒物理學(xué)乃至阿秒科學(xué)技術(shù)的全新學(xué)科與未來高技術(shù)領(lǐng)域。超強(qiáng)超快激光場中高次諧波發(fā)射研究已取得重大突破，高次諧波已進(jìn)入“水窗”波段。當(dāng)前，產(chǎn)生亞飛秒乃至阿秒數(shù)量級極端超快相干輻射的新概念、新方法的研究，正日趨活躍。在短波長X射線波段激光研究方面，現(xiàn)有的 X射線激光機(jī)制無法實現(xiàn)波長小于 2納米的突破，超強(qiáng)超快激光的出現(xiàn)為實現(xiàn)基于

14、內(nèi) 殼層躍遷等新機(jī)制的超短波長相干輻射提供了可能性。目前超強(qiáng)超快激光驅(qū)動的內(nèi)殼層光電離超短波長相 干輻射新機(jī)制研究也已成為本領(lǐng)域的新熱點。為交叉學(xué)科的發(fā)展提供創(chuàng)新手段與方法超強(qiáng)超快激光技術(shù)也為超快化學(xué)動力學(xué)、微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)、超快信息光子學(xué)與生命科學(xué)等前沿交叉學(xué)科的發(fā)展提供了創(chuàng)新手段與方法。例如，超強(qiáng)超快激光自身及其與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的飛秒甚至可能是亞 飛秒、阿秒數(shù)量級的 XUW X射線波段的極端超快相干光源技術(shù)，為人類研究并應(yīng)用各種超快過程提供了 強(qiáng)有力的手段，將使人類在更深的層次上進(jìn)一步認(rèn)識微觀世界物質(zhì)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)移和信息傳遞過程，進(jìn)而 可能實現(xiàn)人工控制某些物理、化學(xué)和生物過程，促進(jìn)微結(jié)構(gòu)材

15、料科學(xué)、超快化學(xué)動力學(xué)等交叉學(xué)科領(lǐng)域的 研究與發(fā)展，產(chǎn)生具有重大影響的突破性交叉前沿研究成果。近年，在飛秒激光應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)方面的研究進(jìn)展格外引人注目。澤韋爾（ A.H.Zewail ）由于 在發(fā)展飛秒光譜技術(shù)，并研究化學(xué)反應(yīng)過程中壽命極短的過渡態(tài)方面的成就，被授予1999年度諾貝爾化學(xué)獎。上述進(jìn)展也為利用超快強(qiáng)激光控制化學(xué)反應(yīng)帶來了新的希望。有選擇地斷裂或形成一些小分子化學(xué)鍵 已經(jīng)成功，但是對大分子復(fù)雜體系卻一直未能突破。超快強(qiáng)激光技術(shù)與近場光學(xué)顯微技術(shù)相結(jié)合，可以對 激光與分子的相互作用進(jìn)行多維控制，這是研究“單分子物理學(xué)”或“單分子化學(xué)”的有力手段，并有可 能用以對生物大分子進(jìn)行“

16、剪裁”。超快強(qiáng)激光在物質(zhì)微結(jié)構(gòu)的制備與超快動力學(xué)行為的研究方面，包括超高時空光譜分辨新探測手段的開拓與應(yīng)用也取得了顯著進(jìn)展。如光泵-超快X射線衍射探針測量技術(shù)應(yīng)用于單晶的超快晶格動力學(xué)研究已經(jīng)實現(xiàn)了皮秒-毫埃的超高時空分辨率；微爆炸和微聚合已使得人們有可能用超快強(qiáng)激光得到優(yōu)于衍射 極限、小于光波長的材料處理精度，在三維高密度數(shù)據(jù)存儲中帶來了新的應(yīng)用。最近的實驗也已證實，利用飛秒強(qiáng)激光按微米的間隔，斷續(xù)照射含稀土元素彩微粒子的玻璃，加上多重波長重疊記錄技術(shù)，記錄密 度可提高到1014比特/厘米3等。中國科學(xué)家取得的重要進(jìn)展中科院上海光機(jī)所從1980年代中期起，在國家自然科學(xué)基金重大項目、中國科學(xué)

17、院重大項目等支持 下，在國內(nèi)率先開展了強(qiáng)場激光條件下的激光與物質(zhì)相互作用研究，包括在電離閾值以上原子的多光子電 離，強(qiáng)場誘導(dǎo)原子的自電離和其他重要的強(qiáng)場量子現(xiàn)象，以及超強(qiáng)超快激光脈沖在等離子體中的傳輸、頻 率上轉(zhuǎn)換、高次諧波輻射及等離子體電子加速器等方面的系統(tǒng)研究，受到國際同行的高度評價。1990年代，中科院上海光機(jī)所、西安光機(jī)所、物理所在“八五”攀登計劃項目、“九五”攀登計劃 預(yù)選項目和“九五”中國科學(xué)院重大基礎(chǔ)研究項目等的支持下，不僅在超強(qiáng)超快激光技術(shù)的研究，而且在超強(qiáng)超快激光與物質(zhì)的相互作用和在交叉學(xué)科的前沿基礎(chǔ)研究等方面也取得重要進(jìn)展。例如成功建成了具 有國際一流水平的小型化飛秒、5太

18、瓦級超強(qiáng)超快激光實驗裝置；在超強(qiáng)超快激光驅(qū)動的高次諧波輻射，超強(qiáng)超快激光與原子、分子、團(tuán)簇的相互作用動力學(xué)行為，超強(qiáng)超快激光與單電子的相互作用，超強(qiáng)超快 激光與高溫高密度等離子體的相互作用以及多類超快過程等的研究方面也都取得重要成果，受到國際同行 關(guān)注。1999年7月在瑞士召開的國際超快光學(xué)會議上，國際著名的強(qiáng)場激光物理學(xué)家巴蒂( C. Barty )在 開幕式上作了題為“全世界高強(qiáng)度激光的挑戰(zhàn)、前景與展望( High Intensity Lasers Around the World: Challenges, Prospects, Perspectives )的大會主題報告，當(dāng)他評述當(dāng)前全世

19、界正在運(yùn)行的小型化臺式 超強(qiáng)超快激光裝置時，特別列舉了中科院上海光機(jī)所的5.4太瓦、46飛秒級小型化超強(qiáng)超快激光裝置，當(dāng)場展示該裝置的多張圖片。表明中國在國際超強(qiáng)超快激光領(lǐng)域已占有一席之地。上海光機(jī)所強(qiáng)光光學(xué)開放實驗室近年來牽頭并與國內(nèi)一流科研機(jī)構(gòu)及高等院校進(jìn)行了成功的合作研 究，該實驗室在超強(qiáng)超快激光領(lǐng)域已逐漸成為我國基礎(chǔ)研究以及高技術(shù)與交叉學(xué)科領(lǐng)域中的應(yīng)用基礎(chǔ)研究 基地，國際交流與合作研究基地，以及培養(yǎng)與吸引青年科技人才的基地。1999年該實驗室牽頭并主持申請的國家“973”基礎(chǔ)科學(xué)前沿項目“超強(qiáng)超短激光科學(xué)中若干重要前沿問題”，經(jīng)嚴(yán)格評審，成功立項，是當(dāng)年“973”項目中“基礎(chǔ)科學(xué)前沿領(lǐng)

20、域”的首批入選項目。為開拓發(fā)展OPCP慚原理，上海光機(jī)所強(qiáng)光光學(xué)開放實驗室利用自行發(fā)展的小型化高功率鈦玻璃強(qiáng)激 光系統(tǒng)結(jié)合國內(nèi)已有的非線性晶體的傳統(tǒng)優(yōu)勢與基礎(chǔ)，已部署進(jìn)行10太瓦級OPCP慚原理的實驗驗證，并探索建成基于OPCP嫄理的小型化10太瓦(即“ 13號”)級和更高數(shù)量級超強(qiáng)超快激光裝置的全新科學(xué) 技術(shù)途徑。目前在OPCP慚原理驗證的實驗與理論研究方面及系列關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)上，取得了重要進(jìn)展。 這些工作不僅為基于 OPCPA勺小型化10太瓦級超強(qiáng)超快激光裝置的順利建成，而且也為開拓一條能突破原有臺式CPA技術(shù)無法跨越1021瓦/厘米2光場條件屏障的新途經(jīng)，從而在短時間內(nèi)直接促使我國超強(qiáng)超

21、快 激光走向世界的最前列奠定了扎實基礎(chǔ)。最近，上海光機(jī)所強(qiáng)光光學(xué)開放實驗室成功建立了當(dāng)前我國最為先進(jìn)并達(dá)到國際一流水平的15太瓦、35飛秒級小型化超強(qiáng)超快激光裝置。該激光系統(tǒng)具有優(yōu)良的光束質(zhì)量，具備了提供10181019瓦/厘米2的超高激光功率密度的強(qiáng)場超快極端條件的能力，是進(jìn)行相對論性強(qiáng)場與物質(zhì)相互作用研究不可缺少的實 驗工具。中科院西安光機(jī)所首次實現(xiàn)了摻銘氟化鋸鋰激光器的雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)，得到45飛秒的激光短脈沖；在同步泵浦多波長飛秒激光器研究中獲雙波長運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)的優(yōu)良指標(biāo)，其三波長飛秒激光運(yùn)轉(zhuǎn)屬首創(chuàng)成果等。在 超快X射線探測原理與技術(shù)方面，也獲得了多項具有國際先進(jìn)水平的成果。如研制成功微通道板（

22、MCP）選通50皮秒分辨能力的X射線分幅相機(jī)，以及0.88皮秒分辨能力的X射線條紋相機(jī)。天津大學(xué)開展飛秒激光的研究工作近20年，積累了豐富的理論和實驗經(jīng)驗。在飛秒固體激光研究中，首次觀察到自鎖模自調(diào) 。飛秒脈沖分裂、脈沖碰撞、脈沖序列周期性調(diào)制，以及飛秒太瓦激光脈沖在液 體傳輸中的平臺超連續(xù)光譜等多種新現(xiàn)象。中科院物理所進(jìn)行了外靜電場和磁場存在條件下高次諧波發(fā)射的半經(jīng)典理論研究，超強(qiáng)超快激光與原子、分子相互作用的全量子非微擾理論研究，以及超強(qiáng)超快激光與固體相互作用中的高能粒子發(fā)射研究并 取得重要進(jìn)展。復(fù)旦大學(xué)物理系在強(qiáng)激光場非線性康普頓效應(yīng)與電子加速的研究中，獲得重要進(jìn)展，尤其是發(fā)現(xiàn)了當(dāng)激光強(qiáng)

23、度超過某一閾值，電子與光束的相互作用將表現(xiàn)出全新的特性，電子有可能被激光束俘獲并被猛烈 加速到吉電子伏以上。這一成果得到國內(nèi)外同行的重視與好評。在微結(jié)構(gòu)材料科學(xué)的交叉前沿領(lǐng)域，中科院上海光機(jī)所在近年承擔(dān)的自然科學(xué)基金重點項目“高分辨三維成像技術(shù)的研究及其應(yīng)用”中，已經(jīng)成功地研制了縱向分辨至納米的掃描共焦顯微鏡，并已在光存儲 材料的熒光壽命成像研究方面做出了較好的工作。北京大學(xué)物理系也在超快光譜技術(shù)及其應(yīng)用研究中取得 國際水平的研究成果，同時結(jié)合人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點實驗室的優(yōu)勢，已經(jīng)在微結(jié)構(gòu)制備及其性 能研究上獲得了有意義的結(jié)果。在超快化學(xué)動力學(xué)研究方面，中科院化學(xué)所和大連化物所在利用飛

24、秒激光技術(shù)進(jìn)行超快化學(xué)過程的觀 察與控制方面取得不少成果。在其他飛秒超快過程研究方面，中山大學(xué)等單位在稀土離子超快速光譜、半 導(dǎo)體超快速光學(xué)性質(zhì)、高速光電子技術(shù)等研究中也獲得了引起國際同行矚目的重要成果。相對而言，超強(qiáng)超快激光科學(xué)是一門非常年輕的新學(xué)科，正處在出現(xiàn)重大突破的前夜。展望21世紀(jì)，中國科學(xué)家可望在這一現(xiàn)代物理學(xué)乃至現(xiàn)代科學(xué)活躍的前沿領(lǐng)域中，做出重要建樹。這既是挑戰(zhàn)，更是難 得的機(jī)遇。一、飛秒激光脈沖的產(chǎn)生原理飛秒是時間的單位，飛秒單位相對于秒的數(shù)量級可以看出1飛秒的短暫，要讓激光產(chǎn)生如此短的脈沖，必須同時符合諸多條件。首先，激光放大器本身要擁有寬頻的激光介質(zhì)，這樣它才有辦法放大各種

25、頻率符合前述公式的激光。其次，要有脈沖壓縮機(jī)制。最后，要具有腔內(nèi)色散補(bǔ)償?shù)墓δ?。作為一種獨特的科學(xué)研究的工具和手段，飛秒激光的主要應(yīng)用可以概括為三個方面，即飛秒激光在超快領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用、在超強(qiáng)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用和在超微細(xì)加工中的應(yīng)用。 二、飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域應(yīng)用飛秒激光在超快現(xiàn)象研究領(lǐng)域中所起到的是一種快速過程診斷的作用。飛秒激光尤如一個極為精細(xì)的時鐘和一架超高速的 相機(jī)”可以將自然界中特別是原子、分子水平上的一些快速過程分析、記錄下來。比如在分子生物動力學(xué)研究中，用飛秒的時間分辨法觀測從光反應(yīng)性蛋白中發(fā)出的熒光。在這種時間尺度內(nèi)可以清晰地觀測到位于納米空間的分子及其內(nèi)電子的移動。飛秒激光系統(tǒng)

26、讓我們能夠研究和了解物質(zhì)內(nèi)部物理的、化學(xué)的， 生物的更快速的變化過程，由此， 我們有了飛秒物理、 飛秒化學(xué)，飛秒生物學(xué)在時間尺度上進(jìn)入了一個瞬息萬變的飛秒的世界。三、飛秒激光在超強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用 飛秒激光在超強(qiáng)領(lǐng)域中的應(yīng)用（又稱為強(qiáng)場物理）歸因于具有一定能量的飛秒脈沖的峰值功率和光強(qiáng)可以 非常之高。這樣的強(qiáng)光所對應(yīng)的電磁場會遠(yuǎn)大于原子中的庫侖場，從而很容易地將原子中的電子統(tǒng)統(tǒng)剝 落出去。因此，飛秒激光是研究原子，分子體系高階非線性、多光子過程的重要工具。與飛秒激光相應(yīng) 的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。 飛秒強(qiáng)光可以用來產(chǎn)生相干X 射線和其它極短波長的光，可以用于受控核聚變的研究。四、飛秒激光用于超微細(xì)加工 飛秒激光用于超微細(xì)加工是飛秒激光用于超快現(xiàn)象研究和超強(qiáng)現(xiàn)象研究之外的又一個飛秒激光技術(shù)的重要的應(yīng)用研究領(lǐng)域。這一應(yīng)用是近幾年才開始發(fā)展起來的，目前已有了不少重要的進(jìn)展。與飛秒超快和 飛秒超強(qiáng)研究有所不同的是飛秒激光超微細(xì)加工與先進(jìn)的制造技術(shù)緊密相關(guān)，對某些關(guān)鍵工業(yè)生產(chǎn)技術(shù) 的發(fā)展可以起到更直接的推動作用。飛秒激光超微細(xì)加工是當(dāng)今世界激光、光電子行業(yè)中的一個極為引 人注目的前沿研究方向。 通常，按激光脈沖標(biāo)準(zhǔn)來說， 持續(xù)時間大于皮秒（相當(dāng)于熱傳導(dǎo)時間）的激光脈沖屬于長脈沖，用